Što se događa s elektronima dok ih snažan laserski impuls tjera kroz grafen? Međunarodni tim fizičara uspio je pratiti promjene njihova gibanja i energije dovoljno brzo da razazna kvantni prijelaz koji se odvija unutar jednog titraja svjetlosti.
Mjerenja su pokazala kako se elektroni istodobno ubrzavaju i prelaze između dopuštenih energetskih stanja. Riječ je o Landau-Zener-Majorana prijelazima, jednom od temeljnih procesa kojim snažno električno polje mijenja kvantno stanje materijala.
Tim predvođen istraživačima iz Regensburga, Marburga i Jülicha rezultate je objavio 28. listopada u časopisu Nature. Nova metoda proširuje mogućnosti praćenja elektrona u trenucima kada ih svjetlost izbacuje iz ravnoteže, što je važno za razumijevanje elektronike kojom bi se upravljalo izravno svjetlosnim poljem.
Dva impulsa za praćenje iznimno brzog procesa
Grafen je sloj ugljikovih atoma debeo samo jedan atom. U ovom su pokusu istraživači na njega najprije usmjerili snažan impuls srednjeg infracrvenog zračenja. Njegovo električno polje pokrenulo je elektrone i promijenilo njihov raspored po energijama i količinama gibanja.
Zatim je slijedio drugi, ultrakratki impuls ekstremnog ultraljubičastog zračenja. On je izbacio elektrone iz uzorka, a poseban ih je mikroskop zabilježio i izmjerio njihovu energiju te dvije komponente količine gibanja. Ponavljanjem mjerenja s različitim razmakom između dvaju impulsa tim je rekonstruirao vremenski slijed promjena u grafenu.
Tako dobiveni niz prikaza može nalikovati filmu, ali ne pokazuje sitne elektrone kako putuju kroz materijal poput kuglica. Prikazuje kako se mijenja njihova raspodjela u energetskim stanjima i prostoru količine gibanja. Upravo se u tim promjenama može prepoznati kvantni proces koji obična kamera ne bi mogla snimiti.
Raspored elektrona otkrio je više od ubrzavanja
Elektroni u čvrstom materijalu mogu zauzimati određene raspone energija, odnosno energetske vrpce. Njihov raspored određuje električna svojstva materijala. U grafenu se te vrpce na poseban način dodiruju, zbog čega je pogodan za ispitivanje prijelaza izazvanih snažnim poljem.
Da je laserski impuls elektrone samo ubrzavao unutar iste vrpce, njihov bi se početni raspored uglavnom pomicao. Mjerenja su, međutim, pokazala i promjenu oblika: raspodjela se izdužila u smjeru električnog polja. Broj elektrona u višoj, vodljivoj vrpci pritom je rastao tijekom najjačih dijelova impulsa.
Istraživači su te promjene usporedili s kvantnomehaničkim izračunima. Kada su u model uključili prijelaze između vrpci, dobili su karakteristično izduženje zabilježeno u mjerenjima. Time su mogli razlikovati prijelaz između energetskih stanja od samog ubrzavanja elektrona.
Širi pogled u kraćem vremenu
Raniji pokusi mogli su pratiti dio tih procesa, ali uz ograničen pogled na prostor količine gibanja. Novi je sustav obuhvatio cijelu prvu Brillouinovu zonu, područje koje sadrži osnovne informacije o elektronskoj strukturi kristala. To omogućuje usporedbu promjena koje se istodobno odvijaju u različitim njegovim dijelovima.
Vremenska razlučivost mjerenja bila je bolja od deset femtosekundi. Jedna femtosekunda traje milijunti dio milijarditog dijela sekunde. Takva brzina omogućila je praćenje procesa prije nego što ih sudari i raspršenje elektrona zamagle.
Upravo je raspršenje važna granica upravljanja elektronima pomoću svjetlosti. Mjerenja ne pokazuju samo kako električno polje pokreće elektrone nego i koliko brzo druge interakcije narušavaju tako uspostavljeno gibanje. Za buduće uređaje trebalo bi ovladati objema stranama tog procesa. Ovaj je pokus korak prema njegovu razumijevanju, a ne demonstracija gotovog svjetlosnog računala.
